KR100425035B1 - 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진에 사용되는 연료분사노즐의 주요 특성인 연료분사율을 측정하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 연료분사율 측정방법에 의하면, 용기 내로의 다수회 연료분사를 통한 가압과정과 용기 내의 연료를 일부 배출하는 배출과정을 반복수행하는 단계에서 취득되는 데이터를 통해 연료분사율을 측정할 수 있으므로, 종래의 연료분사율 측정방법을 수행하기 위해 반드시 필요로 하였던 연료의 체적탄성계수의 측정을 위한 별도의 장치나 측정작업이 불필요해지게 되며 그 결과, 연료분사율의 측정을 위한 장치가 전체적으로 단순화될 수 있으며 또한 그 측정작업도 간단히 행해질 수 있다.

Description

디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법{Method for measuring fuel injection rate of injection nozzle for diesel engine}

본 발명은 디젤 엔진에 사용되는 연료분사노즐의 주요 특성인 연료분사율을 측정하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히 그 측정작업이 간단하게 행해질 수 있고 그 측정을 위한 장치가 복잡화되는 것을 억제할 수 있도록 개선된 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법에 관한 것이다.

디젤 엔진에서 연료분사노즐의 연료분사율 즉, 연료분사노즐을 통해 단위시간 당 분사되는 연료의 질량은 연소율의 형태를 지배할 뿐만 아니라 연료와 공기의 혼합비를 결정한다는 점에서 매우 중요하다. 따라서, 디젤 엔진의 개발을 위하여는 그 엔진에 사용될 연료분사노즐의 연료분사율을 미리 측정하고 그 측정값에 기초하여 디젤 엔진의 개발을 진행하게 된다.

연료분사노즐의 연료분사율의 측정방법으로서는 운동량법, W-Bosch법(장관법), Zeuch법 등이 이미 널리 알려져 있다. 이러한 방법들 중에서, 운동량법은 연료분사시 외부압력을 엔진 내의 압력으로 모사하는 것이 불가능하고 실험의 효율성 측면에서 문제가 있어 그다지 많이 사용되고 있지 않다. W-Bosch법은 연료 분사시에 장관 내에 전파되는 압력파를 이용하여 연료분사율을 측정하는 방법이며 Zeuch법과 함께 신뢰성이 있는 방법으로 인식되어 많이 사용되고 있었다. 그러나 최근에는, W-Bosch법은 보다 정밀한 측정을 위하여는 장관 내에서의 반사파를 감쇠시켜야 할 필요가 있다는 점이 알려지고 또한, 이중분사방식(파이로트 분사방식)의 디젤 엔진 등 다양한 디젤 엔진이 개발되면서, Zeuch법에 의한 연료분사율 측정방법이 각광받고 있다.

상기 Zeuch법은 연료를 충전시킨 밀폐용기 내에 연료를 분사할 때 그 연료의 분사량에 비례하여 용기 내의 압력이 상승하는 것을 이용하여 연료분사율을 측정하는 방법으로서,「"디젤기관의 고정도 연료분사율계의 시작", 후쿠시마 외 1인 공저, 일본 자동차기술회 학술강연회논문집, 1988, pp289-292」등을 통해 그 실험원리 및 방법 등이 널리 알려져 있고, 현재 그 Zeuch법을 이용한 연료분사율 측정장치가 많이 사용되고 있는데, 이러한 Zeuch법을 이용한 측정방법에 대해 도 1을 참조하면서 간단히 설명하기로 한다.

연료분사노즐의 연료분사율의 측정을 위하여 먼저, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 구성의 측정장치를 마련한다. 이 측정장치는, 내부공간(11)과 주입구(12)와 배출구(13)를 가지는 용기(10)와, 배출구(13)측에 설치되는 배출밸브를 포함하고 있으며, 측정대상의 디젤 엔진용 연료분사노즐(1)이 용기(10)의 주입구(12) 측에 장착된다. 참조번호 2는 연료분사노즐(1)을 통해 용기(10)의 내부공간(11)으로 연료를 공급하기 위한 연료펌프이며, 참조번호 3은 용기(10)의 내부공간(11)의 압력을 측정하기 위한 압력센서이다. 압력센서(3)로부터의 신호나, 기타 연료분사율의 측정을 위한 데이터는 제어부(20)로 보내져서 그 제어부에서 필요한 연산을 행하도록 되어 있으며, 상기 연료분사노즐(1)의 개폐, 연료펌프(2)의 작동, 배출밸브(4)의 개폐는 제어부(20)로부터의 신호에 의해 행해지도록 되어 있다.

이러한 측정장치의 용기(10)의 주입구(12) 측에 연료분사노즐(1)이 장착되고 배출밸브(4)가 닫힌 상태에서, 연료분사노즐(1)을 통해서 용기(10)의 내부공간(11)으로 디젤 엔진용 연료를 소정의 압력이 될 때까지 공급하여 충전시킨다. 상기 소정압력은, 측정되고 있는 연료분사노즐(1)을 채용할 디젤 엔진의 압축시의 실린더 내의 압력을 감안하여 미리 설정하여 둔 압력(예컨대, 10bar)이다.

상술한 바와 같이 용기(10)의 내부공간(11)에 연료를 충전시켜서 상기 소정압력이 되도록 한 후, 다시 그 용기(10)의 내부공간(11)으로 연료분사노즐(1)을 통해서 연료를 분사하여 용기(1) 내의 연료의 압력을 높이는 가압과정과, 상기 가압과정을 행한 후 연료분사노즐(1)을 폐쇄하고 배출밸브(4)를 열어서 용기(1) 내의 연료의 압력이 다시 상기 소정압력이 될 때까지 용기 내의 연료를 일부 배출시킨 후 다시 배출밸브(4)를 닫는 감압과정을 행한다.

여기서, 상기 용기(10)의 내부공간(11)의 용적을, 가압과정에서 분사된 연료의 체적을, 가압과정에서의 압력의 변화량을, 연료의 체적탄성계수를라 할 때, 아래의 수학식 1에 나타낸 관계가 성립된다.

한편,(는 연료의 밀도,은 가압과정에서 분사된 연료의 질량)이므로, 이를 상기 수학식 1에 대입하고 미분하면, 가압과정에서 단위시간당 분사된 연료의 질량 즉, 가압과정에서의 연료분사율()과, 가압과정에서의 단위시간당 압력의 변화량 즉, 압력변화율() 사이에는 아래의 수학식 2와 같은 관계가 성립된다.

따라서, 가압과정 중에 상기 압력센서(3)를 통해 검출된 압력변화량과 가압과정에서의 분사시간에 기초하여 산출된 압력변화율의 측정치와, 연료밀도와,용기(10)의 내부공간(11)의 용적과, 연료의 체적탄성계수를 상기 수학식 2에 대입하면 가압과정에서의 연료분사율이 얻어지게 된다. 이 때, 상기 체적탄성계수()는 도 1에 도시된 구성에 의해서는 얻어질 수 없으므로, 별도의 복잡한 구성의 체적탄성계수 측정장치를 사용하여 그 측정된 체적탄성계수를 상기 수학식 2에 대입하여야 한다.

한편, 통상적으로 신뢰성이 있는 측정값이 얻어질 수 있도록, 상술한 바와 같은 가압과정과 감압과정을 다수회(예컨대, 수백회 내지 수만회) 되풀이하면서 각 가압과정에서의 연료분사노즐의 연료분사율들을 측정하고, 그 각 가압과정에서의 연료분사율 측정값들을 평균하여 그 평균값을 연료분사노즐의 연료분사율로 설정하게 된다.

그런데, 이와 같은 방법에 의하면, 상술한 바와 같이 별도의 체적단성계수의 측정을 위한 별도의 복잡한 장치가 필요하므로, 연료분사율의 측정을 위한 비용이 증대되게 되며 또한 그 체적탄성계계수의 측정을 위한 별도의 측정작업을 행하여야 하므로, 연료분사율의 측정을 위한 전체적인 작업이 번거롭다는 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 안출된 것으로서, 별도의 연료 압축계수의 측정장치를 마련하지 않더라도 간단히 연료분사율을 측정할 수 있도록 개선된 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법을 제공함에 목적이 있다.

도 1은 일반적인 연료분사율 측정방법을 설명하기 위한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 연료분사율 측정방법을 설명하기 위한 도면,

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...연료분사노즐 3...압력센서

4...배출밸브 10...용기

11...내부공간 12...주입구

13...배출구

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법은,

내부공간과 그 내부공간으로 통하는 주입구 및 배출구를 가지며, 상기 주입구에는 측정대상의 디젤 엔진용 연료분사노즐이 연료분사노즐이 설치되고, 상기 배출구에는 배출밸브가 설치되는 용기를 마련하는 단계;

상기 연료분사노즐을 통해서 상기 용기의 내부공간으로 디젤 엔진용 연료를 소정의 압력이 될 때까지 공급하여 충전시키는 단계;

상기 소정압력의 연료가 충전되어 있는 상기 용기의 내부공간으로 상기 연료분사노즐을 통해서 연료를 분사하여 용기 내의 연료의 압력을 일정한 값만큼 높이는 가압과정과, 상기 가압과정 후 상기 용기 내의 연료의 압력이 다시 상기 소정의 압력이 될 때까지 상기 배출밸브를 통해서 상기 내부공간 내의 연료를 일부 배출시키는 감압과정을 다수회 반복하는 반복분사단계;

상기 반복분사단계에서의 총 연료분사량 및 총 연료분사시간을 측정하고, 그 측정값들을 각각 상기 가압과정의 총 회수로 나누어 1회의 가압과정당 평균연료분사량 및 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을 구하는 단계;

상기 1회의 가압과정당 평균연료분사량을라 하고, 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을라 하고, 용기 내의 압력을라 하고, 상기 연료분사노즐의 연료분사율을라 할 때, 아래의 관계식

을 통해 상기 연료분사노즐의 연료분사율을 구하는 단계;를 포함하는 점에 특징이 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 측정장치의 일례를 개략적으로 도시한 것이다.

먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 내부공간(11)과 그 내부공간(11)으로 통하는 주입구(12) 및 배출구(13)를 가지며, 상기 주입구(12)에는 측정대상의 디젤 엔진용 연료분사노즐(1)이 설치되고, 상기 배출구(13)에는 배출밸브(4)가 설치되는 용기(1)를 마련한다. 상기 연료분사노즐(1)은 연료펌프(2)에 연결된다. 용기(1)에는 상기 내부공간의 압력을 측정하기 위한 압력센서(3)를 설치한다. 이 압력센서(3)로서는, 예컨대 피에조형 압력센서나 스트레인 게이지형 압력센서 등, 이미 공지된 압력센서들 중 적절한 것을 채용할 수 있다. 그리고, 배출밸브(4)를 통해 배출되는 연료의 질량을 측정하기 위한 질량형 유량계(5)를 유로 중에 설치되어 있다. 압력센서(3)로부터의 신호나, 기타 연료분사율의 측정을 위한 데이터는 제어부(20)로 보내져서 그 제어부에서 필요한 연산을 행하도록 되어 있으며, 상기 연료분사노즐(1)의 개폐, 연료펌프(2)의 작동, 배출밸브(4)의 개폐는 상기 압력센서(3)로부터의 신호에 기초하여 컴퓨터 시스템 등의 제어부(20)에 의해 제어되도록 되어 있다.

상술한 바와 같은 용기를 마련한 후, 배출밸브(4)가 닫혀 있는 상태에서, 연료펌프(2)를 작동시키고 연료분사노즐(1)을 개방하여 그 연료분사노즐(1)을 통해서 용기(10)의 내부공간(11)으로 디젤 엔진용 연료를 소정의 압력(이하, 설명 및 이해의 편의를 위하여, "제1압력"이라 함)이 될 때까지 공급하여 충전시켜 둔다. 상기 소정의 압력 즉 제1압력은, 통상적으로 측정되고 있는 연료분사노즐(1)이 설치될 디젤 엔진의 압축시의 실린더 내의 압력을 감안하여 미리 설계된 압력(예컨대, 10bar)인데, 그 압력값은 디젤 엔진의 설계조건이나 측정조건 등에 따라 적절히 설정되는 값이다.

상술한 바와 같이 용기(10)의 내부공간(11)에 연료가 제1압력으로 충전되어 있는 상태에서, 그 용기(10)의 내부공간으로 연료분사노즐(1)을 통해서 연료가 분사되도록 하여 용기(10) 내의 연료의 압력을 상기 제1압력보다 일정한 값만큼 높은 압력(이하, 설명 및 이해의 편의를 위하여, "제2압력"이라 함)까지 높이는 가압과정을 행한다.

상술한 가압과정을 거쳐 용기(10) 내의 압력이 상기 제2압력에 도달하게 되면, 압력센서(3)에 의해 제2압력에 도달하였음이 감지되며 제어부(20)는 그 압력센서(3)의 감지신호에 기초하여 상기 연료분사노즐(1)을 폐쇄하고 배출밸브(4)를 개방시킨다. 이에 따라, 연료분사노즐(1)에 의한 연료의 분사가 정지되고 용기(10)의 내부공간(11)의 연료가 배출밸브(4)를 통해 외부로 배출됨으로써 용기(10) 내의 압력이 감소되는 감압과정이 진행되게 된다. 이러한 감압과정은 용기(10) 내의 압력이 상기 제1압력으로 될 때까지 진행되게 된다. 감압과정이 진행되는 동안, 용기(10) 내의 압력의 변화는 압력센서(3)를 통해 감지되게 되며 그 용기(10) 내의압력이 상기 제1압력이 되면 그것을 감지한 압력센서(3)로부터의 신호에 기초하여 제어부(20)는, 배출밸브(4)를 폐쇄하여 연료의 배출을 중단시킴으로써 감압과정을 완료시키고, 다시 연료분사노즐(1)을 개방하여 상술한 바와 같은 가압과정을 수행하고 가압과정이 완료되면 다시 감압과정을 수행하는 방식으로, 가압과정과 감압과정을 다수회(예컨대, 수백회 내지 수만회) 반복적으로 수행한다.

상술한 바와 같이 가압과정과 감압과정을 다수회 반복적으로 수행하는 단계, 즉 반복분사단계가 이루어지는 동안, 상기 각 가압과정에서의 총 연료분사량 즉, 각 가압과정에서 연료분사노즐(1)을 통해 용기(10)의 내부공간(11)으로 분사된 연료의 질량의 합계를 측정한다. 이는 상기 반복분사단계를 수행하는 동안 질량형 유량계(5)에 의해 집계된 값을 통해 쉽게 측정할 수 있다. 또한, 상기 반복분사단계의 수행중에 각 가압과정에서의 총 연료분사시간 즉, 각 가압과정에서의 연료분사노즐(1)의 개방시간의 합계를 측정한다. 연료분사노즐(1)의 개방시간은 공지된 방법에 의해 쉽게 측정할 수 있다. 예컨대, 연료분사노즐(1)에 마련된 니들밸브(미도시)의 니들의 위치를 검출하는 위치검출센서(미도시)를 사용하여 니들의 위치를 검출하도록 하고 그 검출신호에 기초하여, 니들이 개방위치에 있던 시간을 합함으로써 연료분사노즐의 개방시간의 합계를 얻을 수도 있으며, 상기 니들의 위치를 검출하는 위치검출센서 대신에, 그 니들의 구동을 위한 엔진의 크랭크축(미도시)의 각도를 검출하는 엔코더(미도시) 등을 설치하여 그 엔코더로부터의 신호에 기초하여 연료분사노즐(1)의 개방시간을 측정할 수도 있다.

상술한 바와 같이 하여, 가압과정들에서의 총 연료분사량과 총 연료분사시간이 얻어지면, 그 총 연료분사량을, 상기 반복분사단계에서 수행된 가압과정의 총 회수로 나누어 1회의 가압과정당 평균연료분사량을 구하고, 또한, 상기 총 연료분사시간을 상기 반복분사단계에서 수행된 가압과정의 총 회수로 나누어 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을 구한다. 이러한 연산은 상기 각 센서들로부터 보내진 신호에 기초하여 제어부(20)에서 행해지도록 함이 바람직하다.

한편, 상기 종래기술을 설명하면서 소개한 바와 같이, 연료분사노즐(1)의 연료분사율(단위시간당 분사된 연료의 질량;)은,이 되는데, 여기서,를 상수라 가정하면, 아래의 수학식 3이 얻어진다.

한편, 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사량을라 하고, 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을라 하면, 상기는 상기 수학식 3에서의 연료분사율()을 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사시간() 동안 적분한 값과 같아야 하므로, 아래의 수학식 4가 성립된다.

상기 수학식 4에서 상수 Y는 아래의 수학식 5와 같이 정리될 수 있다.

이를 상기 수학식 3에 대입하면, 아래의 수학식 6과 같이 된다.

상기 수학식 6에, 상술한 바와 같이 하여 측정된 1회의 가압과정당 평균연료분사량 ()과 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사시간()의 측정값을 대입하여 연료분사노즐의 연료분사율()을 구하여 연료분사율의 측정실험을 완료한다.

이러한 연료분사율 측정방법에 따르면, 종래의 방법에서의 단점이 해소될 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 상기 수학식 6에서 알 수 있는 바와 같이, 연료의 체적탄성계수에 관한 측정값을 알지 못하더라도, 이미 알고 있는 상수들과 상기 반복분사단계를 수행하는 과정에서 취득된 데이터들에 의해서 연료분사율이 쉽고 간단하게 측정될 수 있다. 따라서, 종래의 연료분사율 측정방법을 수행하기 위해 반드시 필요로 하였던 연료의 체적탄성계수의 측정을 위한 별도의 장치나 측정작업이 본 발명에 따른 연소분사율 측정방법에서는 불필요해지게 되므로, 연료분사율의 측정을 위한 장치가 전체적으로 단순화될 수 있으며 또한, 그 측정작업도 간단히 행해질 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 측정창치는, 본 발명의 측정방법을 수행할 수 있는 장치의 일례에 불과한 것이며 그러한 측정장치에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법에 의하면, 종래의 연료분사율 측정방법을 수행하기 위해 반드시 필요로 하였던 연료의 체적탄성계수의 측정을 위한 별도의 장치나 측정작업을 필요로 하지 않으므로, 연료분사율의 측정을 위한 장치가 전체적으로 단순화될 수 있으며 또한, 그 측정작업도 매우 간단해지게 된다는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 내부공간과 그 내부공간으로 통하는 주입구 및 배출구를 가지며, 상기 주입구에는 측정대상의 디젤 엔진용 연료분사노즐이 연료분사노즐이 설치되고, 상기 배출구에는 배출밸브가 설치되는 용기를 마련하는 단계;

   상기 연료분사노즐을 통해서 상기 용기의 내부공간으로 디젤 엔진용 연료를 소정의 압력이 될 때까지 공급하여 충전시키는 단계;

   상기 소정압력의 연료가 충전되어 있는 상기 용기의 내부공간으로 상기 연료분사노즐을 통해서 연료를 분사하여 용기 내의 연료의 압력을 일정한 값만큼 높이는 가압과정과, 상기 가압과정 후 상기 용기 내의 연료의 압력이 다시 상기 소정의 압력이 될 때까지 상기 배출밸브를 통해서 상기 내부공간 내의 연료를 일부 배출시키는 감압과정을 다수회 반복하는 반복분사단계;

   상기 반복분사단계에서의 총 연료분사량 및 총 연료분사시간을 측정하고, 그 측정값들을 각각 상기 가압과정의 총 회수로 나누어 1회의 가압과정당 평균연료분사량 및 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을 구하는 단계;

   상기 1회의 가압과정당 평균연료분사량을라 하고, 상기 1회의 가압과정당 평균연료분사시간을라 하고, 용기 내의 압력을라 하고, 상기 연료분사노즐의 연료분사율을라 할 때, 아래의 관계식

   을 통해 상기 연료분사노즐의 연료분사율을 구하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진용 연료분사노즐의 연료분사율 측정방법.